利用NI LabVIEW優(yōu)化多核處理器環(huán)境下的自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用

　　多線程編程的挑戰(zhàn)

　　迄今為止，處理器技術(shù)的創(chuàng)新為我們帶來(lái)了配有工作于更高時(shí)鐘速率的CPU的計(jì)算機(jī)。然而，隨著時(shí)鐘速率逼近其理論上的物理極限，人們開(kāi)始投入到具備多個(gè)處理核的新型處理器的開(kāi)發(fā)。借助這些新型多核處理器，工程師們?cè)?span id="mt8pkkl" class=maintext>自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用開(kāi)發(fā)中利用并行編程技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和最大的吞吐量。愛(ài)德華×李博士——加州大學(xué)伯克利分校電氣與計(jì)算機(jī)工程教授——闡述了并行處理的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　“許多技術(shù)專(zhuān)家預(yù)言，對(duì)于摩爾定律的終結(jié)回應(yīng)，將是日趨并行的計(jì)算機(jī)架構(gòu)。如果我們希望繼續(xù)提高計(jì)算性能，計(jì)算機(jī)程序必須能夠利用這種并行機(jī)制?！?/P>

　　而且，業(yè)界專(zhuān)家業(yè)已認(rèn)識(shí)到，對(duì)于編程應(yīng)用，如何利用多核處理器將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。比爾×蓋茨——微軟公司的締造者——是這樣論述的：

　　“要想充分利用并行工作的處理器的威力，…軟件必須能夠處理并發(fā)性問(wèn)題。但正如任何一位編寫(xiě)過(guò)多線程代碼的開(kāi)發(fā)者告訴你的那樣，這是編程領(lǐng)域最艱巨的任務(wù)之一?！?/P>

　　幸運(yùn)的是，NI LabVIEW軟件，通過(guò)一個(gè)直觀的、用于創(chuàng)建并行算法的API，為我們提供了一個(gè)理想的多核處理器編程環(huán)境，所創(chuàng)建的并行算法可以將多個(gè)線程動(dòng)態(tài)分配至一

項(xiàng)給定的應(yīng)用。事實(shí)上，您可以利用多核處理器優(yōu)化自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用，以獲取最佳性能。

　　而且， PXI Express的模塊化儀器增強(qiáng)了這一技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@些儀器利用了PCI Express總線所能支持的高數(shù)據(jù)傳輸速率。得益于多核處理器和PXI Express儀器的兩個(gè)具體應(yīng)用是：多通道信號(hào)分析和在線處理（硬件在環(huán)）。在此白皮書(shū)中，我們將評(píng)估各種并行編程技術(shù)，并描述每項(xiàng)技術(shù)所帶來(lái)的性能優(yōu)勢(shì)。

　　實(shí)現(xiàn)并行測(cè)試算法

　　一項(xiàng)常見(jiàn)的得益于并行處理的自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用便是多通道信號(hào)分析。由于頻率分析是一項(xiàng)占用處理器運(yùn)行時(shí)間較多的操作，您可以并行運(yùn)行測(cè)試代碼，將每個(gè)通道的信號(hào)處理分配至多個(gè)處理器核，提高執(zhí)行速度。從編程人員的角度來(lái)看，為獲得這一技術(shù)優(yōu)勢(shì)，唯一需要改變的只是測(cè)試算法結(jié)構(gòu)的細(xì)微調(diào)整。

　　為描述這一過(guò)程，現(xiàn)比較用于多通道頻率分析（快速傅立葉變換或FFT）的兩個(gè)算法的執(zhí)行時(shí)間，它們分別位于一個(gè)高速數(shù)字化儀的兩個(gè)通道上。NI PXIe-5122 14-位高速數(shù)字化儀的兩個(gè)通道均以最高采樣率（100 MS/s）采集信號(hào)。首先，我們察看LabVIEW中對(duì)應(yīng)于這一操作的傳統(tǒng)順序編程模型。

　　圖1. 利用順序執(zhí)行的LabVIEW代碼

　　采集來(lái)自數(shù)字化儀的兩個(gè)通道的信號(hào)

　　圖1中，兩個(gè)通道的頻率分析均在一個(gè)FFT快速VI中完成，它順序分析每個(gè)通道信號(hào)。雖然上述算法也可以在多核處理器環(huán)境下有效執(zhí)行，但是，您還可以通過(guò)并行處理每個(gè)通道來(lái)進(jìn)一步提高算法性能。

　　如果您剖析上述算法，就會(huì)發(fā)現(xiàn)完成FFT所需的時(shí)間要比從高速數(shù)字化儀采集數(shù)據(jù)長(zhǎng)得多。通過(guò)每次獲取各個(gè)通道的數(shù)據(jù)并且并行執(zhí)行各個(gè)通道的FFT，可以顯著降低處理時(shí)間。圖2表示了一個(gè)采用并行方法的新的LabVIEW模塊框圖。

　　圖2. 利用并行執(zhí)行的LabVIEW代碼

　　順序獲取數(shù)字化儀的每個(gè)通道的數(shù)據(jù)。值得注意的是如果兩次數(shù)據(jù)獲取均來(lái)自不同的儀器，那么您可以徹底并行完成這些操作。然而，由于FFT占用大量的處理器時(shí)間，您仍可以?xún)H通過(guò)將信號(hào)并行處理來(lái)改善性能，減少了總的執(zhí)行時(shí)間。圖3顯示了兩種實(shí)現(xiàn)的執(zhí)行時(shí)間：

　　圖3. 隨著數(shù)據(jù)塊大小的增加，通過(guò)并行處理節(jié)約的處理時(shí)間愈為顯著。

　　事實(shí)上，對(duì)于更大的數(shù)據(jù)塊，并行算法方法實(shí)現(xiàn)了近2倍的性能改進(jìn)。圖4描述了性能隨采集數(shù)據(jù)塊大?。ㄒ圆蓸訑?shù)為單位）增大而提高的精確百分比。

　　圖4. 對(duì)于大于1百萬(wàn)采樣（100 Hz精度帶寬）的數(shù)據(jù)塊，并行方式實(shí)現(xiàn)了80%或更高的性能增長(zhǎng)。

　　在多核處理器環(huán)境下，可以方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用的性能改進(jìn)，因?yàn)槟梢允褂肔abVIEW動(dòng)態(tài)地分配每一個(gè)線程。事實(shí)上，您不需要?jiǎng)?chuàng)建特殊的代碼以支持多線程，而是通過(guò)最少的編程調(diào)整，利用多核處理器來(lái)達(dá)到并行測(cè)試。

　　配置定制的并行測(cè)試算法

　　并行信號(hào)處理算法幫助LabVIEW在多個(gè)處理器核中劃分處理器的用途。圖5按順序描述了CPU處理算法每一部分。

　　圖5. LabVIEW能夠并行處理許多采集數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了執(zhí)行時(shí)間。

　　并行處理要求LabVIEW拷貝（或克隆）每個(gè)信號(hào)處理子例程。缺省情況下，LabVIEW的許多信號(hào)處理算法配置為“可重入執(zhí)行”。這就意味著LabVIEW將動(dòng)態(tài)分配給每個(gè)子例程唯一的實(shí)例，包括獨(dú)立線程和存儲(chǔ)空間。因而，您必須將定制的子例程的配置，工作于可重入方式。您可以通過(guò)LabVIEW中一個(gè)簡(jiǎn)單的配置步驟完成這一工作。欲設(shè)置這一屬性，選擇文件菜單下VI屬性并選中“執(zhí)行”欄；然后，選中“可重入執(zhí)行”標(biāo)記（如圖6所示）。

　　圖6. 通過(guò)這一簡(jiǎn)單步驟，您可以并行執(zhí)行多個(gè)定制的子例程，就如同標(biāo)準(zhǔn)的LabVIEW分析函數(shù)。